EKSOZOMLAR Biyolojik Bir Hazine

Keşifleri yaklaşık 30 yıl öncesine dayanan eksozomlar son yıllarda yoğun olarak araştırılan bir konu hâline geldi.

Başlangıçta eksozomların sadece hücrelerdeki gereksiz ya da toksik ürünleri dışarı atmak için hücresel bir atık mekanizması olduğu düşünülüyordu. Ancak, hücre biyolojisi,

hücreler arası iletişim, immünoloji ve kanser alanındaki araştırmalar, eksozomların sahip oldukları içerik nedeniyle biyolojik bir hazine olduğuna işaret ediyor.

Bilim ve Teknik Ağustos 2019

Prof. Dr. Menemşe Gümüşderelioğlu [Hacettepe Üniversitesi, Biyomühendislik Anabilim Dalı

Arş. Gör. Tülay Selin Ertekin [Hacettepe Üniversitesi, , Kimya Mühendisliği Bölümü

Arş. Gör. Elvan Konuk [Hacettepe Üniversitesi, Nanoteknoloji ve Nanotıp Anabilim Dalı

EKS

O

_ZOMLAR

Biyolojik

Bir

Hazine

Hücredeki eksozom kompleksinin temsili görüntüsü. Eksozomlar birçok proteinden oluşur.

Eksozomlar Nasıl Oluşur?

70

Eksozom kompleksinin DNA, RNA ve çok sayıda protein alt biriminden oluşan moleküler modeli (sağda).

Eksozom

Nedir?

Eksozomlar, hücreler tarafından hücre dışı ortama salınan ve boyut-ları 40-100 nanometre arasında de-ğişen doğal keseciklerdir. Çift katlı fosfolipid yapıdaki zarla çevrili olan bu kesecikler içerisinde çeşitli nük-leik asit türleri ve türevleri, lipidler ve proteinler bulunur.Hücre dışında bulunan ve bir zarla çevrili bu ke-seciklerin varlığı yaklaşık 50 yıldır biliniyordu. Ancak, eksozomların bugün bilinen fonksiyonları ile keş-fedilmeleri 1980’li yıllara dayanıyor. İlk keşfedildiklerinde eksozomların sadece hücredeki atıkların hücre dı-şına taşınmasında görevli oldukları düşünülüyordu. Ancak alyuvarların olgunlaşması sırasında transferin reseptörünün atılması için ekso-zomların kullanıldığının keşfedil-mesi, ardından B-hücrelerindeki immünolojik rollerinin gösterilmesi ve son olarak da çeşitli nükleik asit türevlerini barındırdığının ve kan-ser metabolizmasındaki rolünün de keşfiyle eksozom çalışmaları çok farklı boyutlara taşındı. Son yıllarda yapılan araştırmalarda eksozomla-rın neredeyse bilinen bütün vücut hücreleri tarafından salındığı ve anne sütü, idrar, tükürük, ter, serum ve plazma gibi çok çeşitli vücut sı-vılarında da bulunduğu belirlendi.

Eksozomlar Nasıl Oluşur?

Eksozom oluşumu. Oluşumun ilk basamağında hücre zarının bir bölümü hücre içine alınıyor (endositoz). Bu zar tekrar kendi içine kıvrılıyor ve küçük bir kesecik (intraluminal kesecik) oluşturuyor. Ardından “multiveziküler cisimcik (MVB)” olarak adlandırılan ve içerisinde çok sayıda kesecik barındıran bir yapı oluşuyor. Son aşamada MVB’ler plazma zarıyla birleşiyor ve MVB içeriği hücrenin dışına atılıyor. Bu atıklar da “eksozom” olarak adlandırılıyor ya da MVB içeriği lizozomun yapısına katılarak hücre içi dönüşüme uğruyor.

Eksozom oluşumu ilk bakışta basit ancak temelde oldukça karmaşık bazı biyokimyasal süreçler ile mey-dana geliyor. Oluşumun ilk basa-mağında hücre zarının bir bölümü hücre içine alınıyor (endositoz). Bu zar tekrar kendi içine kıvrılıyor ve küçük bir kesecik (intraluminal ke-secik) oluşturuyor. Ardından “mul-tiveziküler cisimcik (MVB)” olarak adlandırılan ve içerisinde çok sayıda kesecik barındıran bir yapı oluşuyor.

MVB’ler metabolik olarak iki fark-lı yol izleyebiliyorlar. Eğer, bir MVB düşük kolestrol seviyesine sahip ise parçalanıyor, hücre içerisindeki bir organel olan lizozomun yapısına ka-tılıyor ve sonunda MVB içeriği hüc-resel geri dönüşüme gidiyor. İkinci durumda ise; daha yüksek kolestro-le sahip olan MVB’kolestro-ler plazma zarıyla birleşiyor ve MVB içeriği hücrenin dışına atılıyor. İşte bu atıklara “ekso-zom” deniyor.

Tüm bu süreçler hücre içindeki sin-yalizasyon araçları ile sıkı bir şekilde kontrol ediliyor. Ancak bu yollardan hangisinin, hangi koşullarda dev-reye gireceği henüz bilinmiyor. Bu nedenle eksozom salınması ve MVB içerisindeki keseciklerin lizozoma gönderilmesi arasındaki dengeyi düzenleyen mekanizmanın nasıl iş-lediği, hâlâ araştırılmakta olan bir konu olarak karşımıza çıkıyor.

Lizozom MVB MVB Eksozomlar Eksozom kompleksi Mikro kesecikler Hücre zarı İntraluminal kesecik Golgi Endoplazmik retikulum Endositoz

DNA, mikro RNA ve mesajcı RNA iplikleri

Çeşitli protein alt birimleri (yüzeyde ve içeride)

72

Hücreler birbirleri ile haberleşebilmek, kendilerini iç ve dış stresten korumak

ve genetik bilgilerini paylaşabilmek amacıyla eksozom salgılarlar.

T

üm çok hücreli organizma-larda, hücrelerin kendi ara-larında uyumlu ve etkin bir şe-kilde çalışması için haberleşme-leri gerekir. Hücreler arasındaki bu bilgi alışverişi, çözünebilir moleküllerin salgılanmasıyla ve-ya doğrudan etkileşim yoluyla sağlanır. Buna ek olarak, birçok ökaryotik hücre, hem uzağında-ki hem de yakınındauzağında-ki hücrelere ulaşabilen, hücre zarı kaynaklı kesecikleri yani eksozomları sal-gılar. Kısacası, hücreler, iletişim, korunma ve genetik bilginin pay-laşılması amacıyla eksozom üre-tiyor. Yapılan çalışmalar işlevsel reseptörlerin ve ikincil mesajcı-ların hedef hücrelere eksozom-larla taşındığını gösteriyor.

Hücreler birbirleri ile etkin bir şekilde haberleşebildiği gibi ken-di atık yönetimini de yapabilen birimler. Bunu eksozomlar aracı-lığıyla, gereksiz veya toksik ürün-leri hücre dışına atarak, hücreyi oluşabilecek iç ve dış streslere karşı koruyarak başarıyorlar. Aynı zamanda hücreler genetik bilginin paylaşılması amacıyla da ortama saldıkları eksozomlar ile hücreye ait mRNA (messenger RNA) ve alt türevleri olan miRNA gibi molekülleri alıcı hücrelere taşıyorlar.

Hücreler Neden Eksozom Salgılar?

_{Her Canlı Eksozom}

Salgılar mı?:

Hücrelerin eksozom salgıla-yabilmesi için hücre sitop-lazması içerisinde zarlı yapı-da organellere sahip olması gerekiyor. Çekirdek zarı, Golgi cisimciği, granüllü ve granülsüz endoplazmik re-tikulum, endozom, lizozom ve hücre zarı gibi yapıları içeren bu sistem yalnızca ökaryotik canlılarda bulunu-yor. Bu nedenle bakteri ve mavi-yeşil algler gibi prokar-yotik canlılar eksozom salgı-layamıyor.

HÜCRELER

NEDEN

EKSOZOM

SALGILAR?

HÜCRELER

NEDEN

EKSOZOM

SALGILAR?

Kültüre alınmış 293T hücresinin çok sayıda eksozomu hücre zarından dışarı salgıladığı görülüyor. Renkli taramalıelektron mikroskop (SEM) görüntüsü (büyütme x 7000)

E

ksozomlar çoğunlukla labo-ratuvar ortamında kültüre alınan hücreleri çoğaltmak ya da farklılaştırmak için kullanılan kültür ortamlarından elde ediliyor. Bunun için hücrelerin üzerindeki kültür sıvısı (süpernatan) alınır ve çeşitli izolasyon teknikleri uygula-narak bu sıvıdan eksozomlar elde edilir. Hücre kültürü süpernatanı dışında, kan, idrar, ağız içi salgı, am-niyotik sıvı, beyin-omurilik sıvısı, ek-lem sıvısı, nazal salgılar, anne sütü, serum ve plazma dâhil, bütün vücut sıvılarından da eksozomlar elde edi-lebiliyor. Eksozom izolasyonu için

santrifüj, immüno afinite ve filtras-yon tekniklerine dayanan birden çok yöntem kullanılıyor. Her yönte-min kendine özgü güçlü yanları ve sınırlamaları olsa da bu yöntemler arasında en yaygın olanı ultrasant-rifüj yöntemi. Merkezkaç kuvvetle-rinin etkin olduğu bu yöntem, sant-rifüj kuvveti ve süresi giderek artan bir dizi santrifüj basamaklarından oluşuyor.

Hücre kültür süpernatanı içinde ek-sozomlar dışında ölü ve canlı hücre-ler, hücresel atıklar, proteinler gibi boyutları ve yoğunlukları

birbirin-den farklı birçok bileşen bulunuyor. Her bir santrifüj basamağında bu bileşenlerden daha ağır olanları or-tamdan ayrılarak dibe çöküyor ve üstte kalan sıvı alınarak daha yük-sek santrifüj hızında işleme devam ediliyor. Belirli hızlarda ve sürelerde gerçekleştirilen santrifüj basamak-larından sonra eksozomlar elde ediliyor. Güvenilir ve çok yaygın bir yöntem olarak kullanılmasına rağ-men, santrifüj sürelerinin çok uzun sürmesi, maliyetin yüksek olması ve eksozomların yüksek santrifüj hızla-rından zarar görmesi bu yöntemde-ki en önemli sorunlar.

Eksozomlardaki protein alt biriminlerini gösteren moleküler modeli.

74

Eksozomlar köken aldıkları ve salındıkları hücre

kaynağına bağlı olarak farklı biyolojik özellikler

gösterirler.

Bu özellikleri alt başlıklar şeklinde sıralayıp açıkladık.

Genetik Bilgi ve

Sinyal Moleküllerinin

Taşınması

Eksozomlar alıcı hücrelerin içerisi-ne girip eksozomal içeriklerini hüc-relere aktarıyorlar. 2000’li yıllarda yapılan araştırmalar, eksozomların içerdikleri biyomoleküller arasında mRNA ve miRNA gibi önemli RNA türlerinin bulunduğunu ve bu yapı-ların alıcı hücrelere aktarılabildiğini gösteriyor. Eksozomlar, sahip olduk-ları bu kargo içerikleri sayesinde hedef hücrenin gen ifadelerini dü-zenleyebiliyor. Ayrıca sadece genetik bilgi içeren biyomolekülleri değil, çe-şitli sinyal moleküllerini de taşıyor-lar. Eksozomun içerisinde bulunan bu sinyal molekülleri alıcı hücreye aktarılarak, hücrelerde ilgili sinyal yolaklarının düzenlenmesine katkı-da bulunuyor.

Bağışıklık Sisteminin

Düzenlenmesi

Eksozomların, salgılandıkları hücre-ler ile alıcı hücrehücre-ler arasında çeşitli protein ve lipid alışverişini yapabil-me özelliği sayesinde, hücreler arası iletişimde de rol aldığı belirtiliyor. Eksozomların sahip oldukları bu özellik bağışılık sisteminde de karşı-mıza çıkıyor. Dendritik hücrelerden elde edilen eksozomların antijene özgü T hücre aktivasyonunu des-teklemesi bize dendritik hücreler, makrofajlar ve B-lenfositlerden sa-lınan eksozomların bağışıklık yanıtı oluşmasında ve düzenlenmesinde önemli bir role sahip olduğunu gös-teriyor.

Hastalıkların

Tanısı

Eksozomların önemli fizyolojik özel-liklere sahip olmalarının yanı sıra türetildikleri hücre kaynağına bağlı olarak farklı biyolojik özellikte etki mekanizmaları içermeleri ve köken aldıkları hücrelere benzer işlevsel ö-zellik göstermeleri, bu yapıların has-talıkların tanısında da kullanıl-masına olanak sağlıyor. Hastalık de-nildiğinde de çalışmalar kanser üze-rinde yoğunlaşıyor. Bu çalışmalarda kanser hücrelerinin eksozomlar sa-yesinde bağışıklık sisteminden kaça-bildiği, bağışıklık sistemi hücrelerini yok edebildiği, kanser hücrelerinden salınan eksozomların tümörlerin et-rafında damarlanmayı artırdığı ve kanser hücrelerinin ilaç direnci ka-zanmasına neden olduğu belirtiliyor. Bununla beraber eksozomlar, yüzey-lerinde veya kesecik içinde taşıdıkları onkogenik (kansere yol açan) sinyal proteinleri, ligandlar, enzimler ve miRNA’lar yoluyla tümörün saldır-ganlaşmasına ve başka bölgelere sıç-ramasına (metastaz) neden oluyorlar. Eksozomların bu özellikleri bir yan-dan kanser metabolizmasını daha iyi anlamamıza yardımcı olurken, diğer yandan hücre yüzey belirteçleri iyi bilinen prostat, meme ve akciğer kan-serlerinin erken teşhisine olanak sağ-lıyor. Eksozomların ilgili vücut sıvıla-rından izolasyonu ile bu yaklaşımın yakın bir zamanda klinikte kanser teşhisi için rutin bir kontrol yönte-mi olarak kullanılacağı düşünülüyor.

Yöntemi daha etkin kılmak için topla-nan eksozomlardan doğru bir biçim-de analizlerin yapılabilmesi amacıy-la basit, ucuz ve etkili yöntemler de geliştirilmeye çalışılıyor. Son yıllarda popüler bir diğer araştırma konu-su olan “mikroakışkan sistemler”de çeşitli düzenlemeler yapılarak ekso-zom izolasyonu, tespiti ve analizi iyi-leştirilmeye çalışıyor.

Hücresel Atıkların

Uzaklaştırılması

Hücreler tarafından salınan ekso-zomların önemli fizyolojik özellikle-rinden biri de hücrelerden istenme-yen maddelerin uzaklaştırılması. Bu sayede hücre kendini içeriden ve dı-şarıdan gelecek çeşitli streslere karşı koruyor. Örneğin, alyuvarlar olgunla-şırken retikülositler tarafından ekso-zom salgılanması, bu hücreler için ya-rarsız olan transferin reseptörü veya integrinler gibi proteinlerin ortam-dan uzaklaşmasına olanak sağlıyor.

Kaynaklar

Colombo, M., Raposo, G., Théry, C.,

“Biogenesis, Secretion and İntercellular İnteractions Of Exosomes and Other Extracellular Vesicles”, Annual Review of Cell and Developmental Biology, Sayı 30, s. 255-289, 2014.

Hessvik, N. P., & Llorente, A.,

“Current Knowledge On Exosome Biogenesis And Release”, Cellular and Molecular Life Sciences, Sayı , s. 1-16, 2017.

Gümüşderelioğlu, M., Doku Mühendisliği Ders Notları, Hacettepe Üniversitesi, 2018.

Eksozomlar Neden Bu Kadar Önemli?

Son yıllarda eksozomların sahip olduğu önemli fizyolojik özelliklerin,

sağlıkta ve hastalıktaki önemli rollerinin anlaşılmasıyla, bu yapıların hastalıkların tanı ve tedavisine yönelik potansiyel klinik uygulamalarına olan ilgi

hızlı bir şekilde artıyor.

Eksozom oluşumu ve salgılanmasında

birçok molekül yer alırken, bu moleküllerden bazıları için etki mekanizmasının henüz tam olarak bilinmemesi, çok sayıda izolasyon teknikleri uygulanmasına rağmen, eksozomların ayrılması ve saptanması için standart bir protokolün hâlâ mevcut olmaması gibi bazı engeller karşımıza çıksa da gelecekte yapılacak çalışmalarla eksozom biyolojisinin ve işlevsel özelliklerinin daha iyi anlaşılacağı düşünülüyor.